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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und auf
ein Verfahren zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma,
in der einer Antenne, die auf einem Substrat angeordnet ist, Hochfrequenzleistung zugeführt
wird und in eine Gasentladungsröhre, die in der Nähe
der Antenne angeordnet ist, ein Gas eingeleitet wird, um unter Atmosphärendruck
ein induktiv gekoppeltes Plasma zu erzeugen.
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STAND DER TECHNIK
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Herkömmlich
waren Unterdruck-Plasmageneratoren und Atmosphärendruck-Plasmageneratoren
zu groß, um in einem System, das in Roboter integriert
war, genutzt zu werden und darin betrieben zu werden. Allerdings
ist in den letzten Jahren eine solche kompakte Vorrichtung zum Erzeugen
von Atmosphärendruckplasma vorgeschlagen worden, die induktiv
gekoppeltes Plasma unter Atmosphärendruck erzeugt, um es
als einen Plasmastrahl zu liefern (siehe z. B. Patentdokument 1).
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Wie
in 20 gezeigt ist, nutzt diese Vorrichtung zum Erzeugen
von Atmosphärendruckplasma einen Plasmachip 40,
der ein Substrat 41, eine wellenartige Mikroantenne 42,
die auf dem Substrat 41 angeordnet ist, und eine Gasentladungsröhre 43,
die in der Nähe der Mikroantenne 42 angeordnet
ist, enthält. Diese Vorrichtung ermöglicht, dass
das Gaszuführungsmittel 44 durch ein Ende der
Gasentladungsröhre 43 ein Gas zuführt
und dass eine Hochfrequenzleistungsversorgung 45 (siehe 21)
der Mikro antenne 42 Hochfrequenzleistung in einem VHF-Band
(30 bis 500 MHz) zuführt. Dies ermöglicht, in
einem Mikroraum innerhalb der Gasentladungsröhre 43 ein
Atmosphärendruckplasma P niedriger Leistung mit hoher Stabilität
zu erzeugen und als einen Mikroplasmastrahl zu liefern.
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Wie
in 21 gezeigt ist, ist darüber hinaus zwischen
die Mikroantenne 42 und die Hochfrequenzleistungsversorgung 45 eine
Anpassungsschaltung 46 geschaltet. Die Anpassungsschaltung 46 dient
dazu, Reflexionswellen von der Mikroantenne 42 so einzustellen,
dass verhindert wird, dass die Eingangsleistung zu der Mikroantenne 42 wegen
der Reflexionswellen verringert wird, wodurch ein Plasma effizient
mit Stabilität erzeugt wird. In dem in 21 veranschaulichten
Beispiel besteht die Anpassungsschaltung 46 aus einem LAST-seitigen
Blindwiderstandselement 47, das zu der Hochfrequenzleistungsversorgung 45 parallelgeschaltet
ist, und aus einem ABSTIMM-seitigen Blindwiderstandselement 48,
das zwischen ein Ende davon und die Mikroantenne 42 geschaltet
ist. In dem in 21 veranschaulichten Beispiel
bestehen die Blindwiderstandselemente 47 und 48 jeweils
aus einem variablen Kondensator, wobei sie aber ebenfalls aus einem
Festkondensator oder einem variablen Kondensator oder aus einer
Festinduktionsspule oder einer variablen Induktionsspule bestehen
können. Es wird angemerkt, dass in 21 L die
induktive Komponente der Mikroantenne 42 ist und R die
Widerstandskomponente der Schaltung ist.
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Außerdem
ist ein in einer Plasmaverarbeitungsvorrichtung genutztes Verfahren
bekannt, in dem ein Gas in eine Unterdruckprozesskammer eingeleitet
wird und zwischen ein Paar gegenüberliegender Elektroden eine
Hochfrequenz angelegt wird, um ein Plasma zu erzeugen und dadurch
ein an einer Elektrode angeordnetes Werkstück zu ätzen.
In dem Verfahren wird die Selektivität des Ätzens
wie folgt sichergestellt oder wird genauer wie folgt sichergestellt,
dass für eine Isolierschicht aus einer Oxidschicht, die
hauptsächlich mit Ionen geätzt wird, Polysilicium,
das sowohl mit Radikalen als auch mit Ionen geätzt wird,
selektiv geätzt wird. Das heißt, um die Ionenenergie
zu verringern, die wesentlich zu dem Ätzen der Isolierschicht
beiträgt, wird die Lage der minimalen Amplitude einer in
einem Hochfrequenzversorgungsweg erzeugten stehenden Welle auf die Lage
der Elektroden ausgerichtet, sodass die an die Elektroden angelegte
Hochfrequenzvorspannung verringert wird (siehe z. B. Patentdokument
2).
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Es
wird angemerkt, dass die verwendete Frequenz in Patentdokument 2
13,56 MHz im RF-Frequenzband ist und dass als das Verfahren zum
Ausrichten der Lage der minimalen Amplitude der stehenden Welle auf
die Elektrodenlage ein Verfahren offenbart ist, in dem die Länge
eines Kabels zwischen einem Hochfrequenztuner und der Elektrode
eingestellt wird. Dieses Verfahren wirft ein Problem auf, dass das
Kabel eine Länge von einigen Metern annehmen kann, um die
Amplitude der stehenden Welle einzustellen.
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Darüber
hinaus beschreibt das oben erwähnte Patentdokument 2 außerdem
die Konfiguration mit einem Phaseneinsteller, der in den Hochfrequenzzuführungsweg
eingeführt ist. Allerdings wirft diese Konfiguration ebenfalls
ein Problem auf, dass der Phaseneinsteller zwischen der Hochfrequenzleistungsversorgung
und dem Hochfrequenztuner eingefügt ist, um den Betrag
der Phase des Phaseneinstellers einzustellen, was dazu führt,
dass die Einstellung schwierig vorzunehmen ist.
- [Patentdokument
1] Patentschrift des japanischen
Patents Nr. 3616088
- [Patendokument 2] Offengelegte
japanische Patentanmeldung Nr. 2002-373883
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE
PROBLEME
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In
dem oben erwähnten Patentdokument 1 sind ein solches Prinzip
und der Inhalt von Experimenten zum Erzeugen eines Plasmastrahls
niedriger Leistung mit einem Hochkonzentrationsplasma mit Stabilität
offenbart. Das heißt, um in einem Mikroraum unter Atmosphärendruck
ein stabiles Plasma niedriger Leistung zu erzeugen, wird dem Plasma
durch das induktive Kopplungsschema effizient Leistung zugeführt.
Dieses Schema verwendet ein VHF-Band, das es ermöglicht,
einen Teil der Ionen und Elektronen in einer Mikrogasentladungsröhre
festzuhalten, sowie ein dielektrisches Magnetfeld, das durch einen
durch die Antenne fließenden Strom erzeugt wird. Allerdings
hat das Patentdokument 1 noch keine ausreichende Technik zum effizienteren Erzeugen
eines Plasmas bei niedrigerem Leistungsverbrauch und zum Verwirklichen
einer verbesserten Kompaktheit geschaffen.
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Zum
Beispiel hat das oben erwähnte Patendokument 1 den Inhalt
eines Experiments offenbart, das bei 50 W oder weniger ausgeführt
wurde. Um weitere Anwendungen wie etwa eine Verarbeitung oder eine Oberflächenbehandlung
zu verwirklichen, ist es aber notwendig, die Plasmakonzentration
des erzeugten Mikroplasmastrahls unter Verwendung derselben Leistung
weiter zu verbessern.
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Andererseits
bezieht sich die im oben erwähnten Patentdokument 2 offenbarte
Technik grundsätzlich auf eine Plasmaverarbeitungsvorrichtung,
die ein Schema paralleler planarer Antennen nutzt. Außerdem
verwendet die Technik eine Frequenz des RF-Frequenzbands und soll
sie die an die Elektroden angelegte Hochfrequenzvorspannung verringern,
um die Selektivität der Verarbeitung zu verbessern, sodass
nie irgendein Mittel zum Lösen der oben erwähnten
Probleme vorgeschlagen worden ist. Außerdem ist das Verfahren
beschrieben, in dem die Länge des Kabels eingestellt wird,
um dadurch die Lage der minimalen Amplitude einer stehenden Welle
einzustellen. Allerdings wirft das Verfahren ein Problem auf, dass
selbst dann, wenn eine Hochfrequenz im VHF-Band verwendet wird,
das Kabel eine Länge von einigen zehn Zentimetern aufweist,
sodass es nicht möglich ist, die Größe
der Vorrichtung ausreichend zu verringern, um sie in einem Kasten
z. B. mit einer Seite von etwa 10 cm unterzubringen. Selbst wenn
der Phaseneinsteller verwendet wird, ist er darüber hinaus
zwischen der Hochfrequenzleistungsversorgung und dem Hochfrequenztuner
eingefügt, sodass die Einstellung wie oben beschrieben
schwierig vorzunehmen ist.
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Darüber
hinaus nimmt die Temperatur der Mikroantenne 42 zu, wenn
das Mikroplasma unter Verwendung des im oben erwähnten
Patentdokument 1 offenbarten Plasmachips 40 erzeugt wird.
Wenn das Plasma während einer langen Dauer erzeugt wird,
wird die Mikroantenne 42 von dem Substrat 41 abgehoben,
wodurch sich die Wärmeableitung verschlechtert, was möglicherweise
verursacht, dass der strukturierte Abschnitt der Mikroantenne 42 verbrennt.
Außerdem verursacht eine Zunahme der Temperatur der Mikroantenne 42 eine Zunahme
des Widerstands, was zum Verlust des Gleichgewichts in der Anpassungsschaltung
führt. Dies ändert wiederum stark die Reflexionswelle
von der Mikroantenne 42, was die der Mikroantenne 42 zuzuführende Leistung
verringert und dadurch die Stärke des Plasmas verringert.
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Darüber
hinaus erzeugt in der mit der Anpassungsschaltung 46 versehenen
Konfiguration das Blindwiderstandselement wie etwa ein induktives
Element oder ein kapazitives Element, das die Schaltung bildet, Wärme,
was wiederum die Leitungskonstanten der Anpassungsschaltung 46 ändert.
Somit ist es unmöglich, das Plasma P effizient mit Stabilität
zu erzeugen.
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Darüber
hinaus wird eine große Menge Wärme ebenfalls von
der Leiterbahn erzeugt, die zwischen der Mikroantenne 42 und
der Anpassungsschaltung 46 verbindet. Dies führt
zu einer Änderung des Widerstands der Leiterbahn und verursacht
dadurch eine Änderung der Leitungskonstanten der Anpassungsschaltung 46. Somit
ist es unmöglich, das Plasma P effizient mit Stabilität
zu erzeugen. Es wird angemerkt, dass die von der Leiterbahn erzeugte
Wärme abgeleitet werden könnte oder dass die Leiterbahn
selbst kurzgeschlossen werden kann, um die Wirkungen von von der
Leiterbahn erzeugter Wärme zu verhindern. Allerdings ist
eine solche Konfiguration, die diesen Verfahren gerecht wird, noch
nicht verwirklicht worden.
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In
diesem Kontext ist angesichts der oben erwähnten herkömmlichen
Probleme die vorliegende Erfindung entwickelt worden. Somit ist
es eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Erzeugen von
Atmosphärendruckplasma zum Erzeugen eines induktiv gekoppelten
Plasmas unter Verwendung von Hochfrequenzleistung im VHF-Band zu
schaffen. Die Vorrichtung zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma
soll Plasma effizient erzeugen und die Größe der
Vorrichtung verringern. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein
Verfahren zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma zu schaffen.
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Außerdem
ist es eine weitere Aufgabe, eine Vorrichtung zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma zu
schaffen, die verhindern kann, dass die Leitungskonstanten wegen
Wärme, die von einem Blindwiderstandselement, das eine
Schaltung wie etwa die Anpassungsschaltung bildet, von der Antenne
und von der Leiterbahn erzeugt wird, geändert werden. Dies
soll Plasma effizient mit Stabilität erzeugen und eine
kompakte Struktur verwirklichen.
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MITTEL ZUR LÖSUNG
DER PROBLEME
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Zur
Lösung der oben erwähnten Aufgaben enthält
eine Vorrichtung zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma
der vorliegenden Erfindung: ein Substrat; eine Antenne, die auf
dem Substrat angeordnet ist; eine Gasentladungsröhre, die
in der Nähe der Antenne angeordnet ist; eine Hochfrequenzleistungsversorgung,
um der Antenne Hochfrequenzleistung im VHF-Band zuzuführen;
eine Anpassungsschaltung, um von der Hochfrequenzleistungsversorgung
eine Hochfrequenz zu empfangen und eine Reflexionswelle einzustellen;
und eine Phasenschaltung, die zwischen die Anpassungsschaltung und
die Antenne geschaltet ist. In der Vorrichtung weist die Phasenschaltung
eine Leitungskonstanteneinstellung in der Weise auf, dass eine Lage
eines Maximalwerts einer Stromamplitude einer stehenden Welle in
der Nähe der Mikroantenne liegt oder dass eine Lage eines
Minimalwerts einer Spannungsamplitude der stehenden Welle in der
Nähe der Mikroantenne liegt.
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Darüber
hinaus enthält ein Verfahren zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma
gemäß der vorliegenden Erfindung die folgenden
Schritte: Zuführen einer Hochfrequenz im VHF-Band zu einer
Antenne, die auf einem Substrat angeordnet ist, und Einleiten eines
Gases in eine Gasentladungsröhre, die in der Nähe
der Antenne angeordnet ist, um ein Plasma zu erzeugen; Zulassen,
dass eine Anpassungsschaltung eine Reflexionswelle, die in eine
Hochfrequenzleistungsversorgung eintritt, auf etwa 0 einstellt;
und Einstellen einer Leitungskonstanten einer Phasen schaltung, die
zwischen der Anpassungsschaltung und der Antenne liegt, in der Weise,
dass eine Lage eines Maximalwerts einer Stromamplitude einer stehenden
Welle in der Nähe der Antenne liegt oder dass eine Lage
eines Minimalwerts einer Spannungsamplitude der stehenden Welle
in der Nähe der Antenne liegt.
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Gemäß der
oben beschriebenen Konfiguration der vorliegenden Erfindung trägt
ein durch die Antenne fließender Strom stark zu der Erzeugung
des Plasmas bei. Somit ist zwischen der Anpassungsschaltung und der
Antenne die Phasenschaltung eingefügt, sodass die Phasenschaltung
zum Positionieren des Maximalwerts einer Stromamplitude der stehenden
Welle in der Nähe der Antenne dient. Dies ermöglicht,
die Eingangsleistung effizient zuzuführen, während
ein Strom durch die Antenne fließt, und dadurch ein Plasma
effizient zu erzeugen. Da bei einer Hochfrequenz die stehende Welle
der Spannung und die stehende Welle des Stroms um 180 Grad phasenverschoben
sind, kann darüber hinaus durch Positionieren des Minimalwerts
der Spannungsamplitude der stehenden Welle in der Nähe
der Antenne dieselbe Wirkung erhalten werden.
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Die
Phasenschaltung kann aus einem ersten Blindwiderstandselement, das
zwischen einem Anschluss der Anpassungsschaltung und einem Anschluss
der Antenne angeordnet ist, und/oder einem Stromführungsweg,
der dazwischen verbindet, und aus einem zweiten Blindwiderstandselement,
das zwischen dem anderen Anschluss der Anpassungsschaltung und dem
anderen Anschluss der Antenne angeordnet ist, und/oder einem Stromführungsweg,
der dazwischen verbindet, gebildet sein. Das heißt, zum
Einstellen der Amplitudenlage einer stehenden Welle können
die Blindwiderstandselemente und/oder der Stromführungsweg mit
einer vorgegebenen Länge verwendet werden. Die Verwendung
der Blindwiderstandselemente ermöglicht, eine kompaktere Konfiguration
zu schaffen. Allerdings kann der Stromführungsweg mit einer
vorgegebenen Länge ebenfalls so ausgelegt werden, dass
er eine kompakte Anordnung schafft, wodurch dieselben Wirkungen
erzielt werden.
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Das
erste Blindwiderstandselement und das zweite Blindwiderstandselement
können jeweils aus einer Festinduktionsspule und/oder aus
einer variablen Induktionsspule und/oder aus einem Festkondensator und/oder
aus einem variablen Kondensator gebildet sein.
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Darüber
hinaus können die Elemente der Anpassungsschaltung, die
zu dem ersten bzw. zu dem zweiten Blindwiderstandselement der Phasenschaltung
in Reihe geschaltet sind, miteinander gekoppelt sein, um diese Blindwiderstandselemente
eines Blindwiderstandselements zu bilden.
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Darüber
hinaus ermöglicht die Bereitstellung der Elemente, die
die Anpassungsschaltung und die Phasenschaltung auf dem Substrat
bilden, die Gesamtgröße der Vorrichtung zum Erzeugen
von Atmosphärendruckplasma zu verringern. Wenn das Funkgesetz
eingehalten wird oder die Sicherheitsgefährdungen der Vorrichtung
beseitigt sind, ist es außerdem möglich, eine
solche Anwendung zu entwickeln, wie sie der Betreiber zur Verwendung
mit der Hand hält.
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Darüber
hinaus ist die Antenne nicht auf eine beschränkt, die auf
einem Substrat strukturiert ist, sondern kann ebenfalls so konfiguriert
sein, dass sie eine dreidimensionale Spule aufweist, die auf dem
Substrat angeordnet ist.
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Darüber
hinaus enthält die Vorrichtung zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma
gemäß der vorliegenden Erfindung: eine Antenne;
eine Gasentladungsröhre, die in der Nähe der Antenne
angeordnet ist und ein Ende aufweist, in das ein Gas zugeführt
wird; eine Hochfrequenzleistungsversorgung, um der Antenne Hochfrequenzleistung
zuzuführen; eine Anpassungsschaltung, die zwischen der
Antenne und der Hochfrequenzleistungsversorgung liegt, um eine Reflexionswelle
von der Antenne einzustellen; und eine Phasenschaltung, die zwischen
der Antenne und der Anpassungsschaltung liegt, um eine Phase in
der Nähe der Antenne einzustellen. In der Vorrichtung ist
die Antenne auf einem Substrat angeordnet, wobei auf dem Substrat eines
oder mehrere Substrate geschichtet sind, um ein geschichtetes Substrat
zu bilden. Darüber hinaus ist ein planares Blindwiderstandselement,
das die Anpassungsschaltung oder die Phasenschaltung bildet, auf dem
geschichteten Substrat angeordnet oder liegt zwischen den Substraten
des geschichteten Substrats. Darüber hinaus kann die Vorrichtung
selbst in Abwesenheit der Phasenschaltung in der gleichen Weise
konfiguriert sein.
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Gemäß dieser
Konfiguration sind die Blindwiderstandselemente, die die Anpassungsschaltung
und die Phasenschaltung bilden, in einer planaren Form gebildet,
damit sie auf einem geschichteten Substrat angeordnet sind oder
zwischen den Substraten des geschichteten Substrats liegen. Dies
ermöglicht, dass die von den Blindwiderstandselementen
erzeugte Wärme problemlos und effektiv durch die Substrate
nach außen abgeleitet wird. Dies ermöglicht zu
verhindern, dass die Leitungskonstanten der Anpassungsschaltung
und der Phasenschaltung wegen einer Zunahme der Temperatur der Blindwiderstandselemente
geändert werden. Dies ermöglicht wiederum, die
Hochfrequenzleistung der Antenne effizient mit Stabilität
zuzuführen, um dadurch das Plasma effizient mit Stabilität
zu erzeugen. Da zwischen den Substraten des geschichteten Substrats
das planare Blindwiderstandselement liegt, kann darüber
hinaus eine kompakte Konfiguration verwirklicht werden.
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Darüber
hinaus ist auf dem Substrat mit der darauf angeordneten Antenne
ein dreidimensionales Blindwiderstandselement angeordnet, das die
Anpassungsschaltung oder die Anpassungsschaltung und die Phasenschaltung
bildet. Dieses dreidimensionale Blindwiderstandselement ist mit
dem Substrat in Kontakt damit bedeckt und innerhalb des geschichteten
Substrats enthalten. Dies ermöglicht, dass die von den
dreidimensionalen Blindwiderstandselementen erzeugte Wärme
durch das Substrat, auf dem sie angeordnet sind, und durch das Substrat,
das sie bedeckt, effektiv abgeleitet wird. Somit ist es möglich,
in derselben Weise ein Plasma effizient mit Stabilität
zu erzeugen.
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Darüber
hinaus können die Antenne, die Gasentladungsröhre,
sowohl die Anpassungsschaltung als auch die Phasenschaltung oder
nur die Anpassungsschaltung, die Leiterbahn, die dazwischen verbindet,
und ein Koaxialverbinder zum Verbinden mit einem Leistungsversorgungs-Koaxialkabel
in dem geschichteten Substrat enthalten sein. Dies ermöglicht,
eine Vorrichtung zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma
zu schaffen, die eine kompakte Konfiguration aufweist, wobei die äußere
Erscheinung ihres Hauptabschnitts nur aus dem blockförmigen
geschichteten Substrat besteht. Mit dieser Konfiguration brauchen
lediglich eine Röhre zum Zuführen eines Gases
und das Koaxialkabel zum Zuführen von Hochfrequenzleistung
verbunden zu werden, wodurch es ermöglicht wird, eine Plasmaverarbeitung
auszuführen. Somit ist es möglich, verschiedene Arten
der Plasmaverarbeitung auf vereinfachte Weise effizient mit Stabilität
zu ermöglichen.
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Darüber
hinaus liegt die Planarantenne zwischen den Substraten in dem geschichteten
Substrat und sind die planaren Blindwiderstandselemente auf den
Substraten angeordnet, zwischen denen die Antenne liegt. Dass die
Antenne zwischen den Substraten liegt ermöglicht, die von
der An tenne erzeugte Wärme effizient abzuleiten und die
Hochfrequenzleistung der Antenne effizient mit Stabilität
zuzuführen, und ermöglicht dadurch, ein Plasma
effizient mit Stabilität zu erzeugen. Da die Substrate
außerdem gemeinsam genutzt werden, um die planaren Blindwiderstandselemente
darauf anzuordnen, ist es darüber hinaus möglich,
die Fläche und die Menge der Substrate zu verringern, um
dadurch eine kompaktere Konfiguration zu schaffen.
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Darüber
hinaus liegen die Gasentladungsröhre und die mehrmals um
sie gewickelte Antenne zwischen den Substraten des geschichteten
Substrats und ist das planare Blindwiderstandselement auf dem Substrat
angeordnet, damit die Gasentladungsröhre und die Antenne
bei ihm dazwischen liegen. Dies ermöglicht, dieselben Wirkungen
selbst dann zu erzielen, wenn die um die Gasentladungsröhre
gewickelte Antenne genutzt wird.
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Wenn
das oben erwähnte Blindwiderstandselement ein induktives
Element ist, das aus einem Leiter besteht, der in Spiralart auf
dem Substrat angeordnet ist, erzeugt das induktive Element darüber
hinaus leicht Wärme. Allerdings kann das induktive Element
in einer planaren Form gebildet sein und zwischen den Substraten
des geschichteten Substrats liegen, wodurch ermöglicht
wird, dass die erzeugte Wärme problemlos und effizient
durch die Substrate nach außen abgeleitet wird. Dies liefert
besonders wesentliche Wirkungen.
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Darüber
hinaus liegt die auf einem Substrat vorgesehene Leiterbahn zwischen
den Substraten des geschichteten Substrats. Dies ermöglicht,
die von der Leiterbahn erzeugte Wärme durch die Substrate
effizient abzuleiten. Außerdem ist es möglich
zu verhindern, dass die Leitungskonstanten der Anpassungsschaltung und
der Phasenschaltung geändert werden, und somit das Plasma
effizient mit Stabilität zu erzeugen.
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Darüber
hinaus werden die Verbindungen der auf den Substraten des geschichteten
Substrats gebildeten Leiterbahnen, die zu verbinden sind, so angeordnet,
dass sie einander überlappen, und daraufhin miteinander
verbunden, wobei die Substrate in engem Kontakt miteinander miteinander
gekoppelt werden. Dies ermöglicht, elektrische Schaltungsverbindungen
nur dadurch zu schaffen, dass die Substrate, die das geschichtete
Substrat bilden, miteinander gekoppelt werden, während
sie in engem Kontakt miteinander sind. Somit ist es möglich,
eine preiswerte kompakte Konfiguration zu verwirklichen, die eine
vereinfachte Konfiguration aufweist und leicht zusammengesetzt werden
kann.
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Darüber
hinaus können die Substrate aus einem Material gebildet
sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminiumoxid,
Saphir, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid, Bornitrid und Siliciumcarbid
besteht, wodurch eine hohe Wärmeleitfähigkeit
zu den Substraten und somit eine hohe Wärmeableitfähigkeit
geschaffen werden.
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Darüber
hinaus kann die oben erwähnte Vorrichtung zum Erzeugen
von Atmosphärendruckplasma in dem beweglichen Kopf eines
Robotersystems angeordnet werden, der in der X-, in der Y- und in
der Z-Richtung verlagern kann. Dies ermöglicht, eine kompakte
Plasmaverarbeitungsvorrichtung zu schaffen, die eine stark verbesserte
allgemeine Vielseitigkeit aufweist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, die die Konfiguration des Hauptabschnitts
einer Vorrichtung zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma
gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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2 ist
ein schematischer Blockschaltplan der ersten Ausführungsform.
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3 ist
ein spezifischer Blockschaltplan der ersten Ausführungsform.
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4 ist
eine erläuternde Ansicht, die eine stehende Welle veranschaulicht.
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5 ist
eine graphische Darstellung, die die Spannungsamplitude jedes Beispielexperiments
der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
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6 ist
ein weiterer spezifischer Blockschaltplan der ersten Ausführungsform.
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7 ist
ein nochmals weiterer spezifischer Blockschaltplan der ersten Ausführungsform.
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8 ist
eine perspektivische Ansicht, die die Konfiguration des Hauptabschnitts
eines geänderten Beispiels der ersten Ausführungsform
veranschaulicht.
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9 ist
eine perspektivische Ansicht, die die Konfiguration einer Vorrichtung
zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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10 ist
eine Vorderansicht, die die zweite Ausführungsform veranschaulicht.
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11 ist
eine Draufsicht, die ein erstes Substrat der zweiten Ausführungsform
veranschaulicht.
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12A bis 12B sind
Ansichten, die ein zweites Substrat der zweiten Ausführungsform
veranschaulichen, wobei 12A eine
Draufsicht und 12B eine Unteransicht sind.
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13 ist
eine perspektivische Ansicht, die die Konfiguration einer Vorrichtung
zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma gemäß einer
dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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14 ist
eine perspektivische Ansicht, die ein viertes Substrat der dritten
Ausführungsform von unten gesehen veranschaulicht.
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15 ist
eine Vorderansicht, die die Konfiguration einer Vorrichtung zum
Erzeugen von Atmosphärendruckplasma gemäß einer
vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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16 ist
eine Draufsicht, die ein erstes Substrat der vierten Ausführungsform
veranschaulicht.
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17 ist
eine perspektivische Ansicht, die eine Gasentladungsröhre
und eine Antenne der vierten Ausführungsform veranschaulicht.
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18 ist
eine perspektivische Ansicht, die ein zweites Substrat der vierten
Ausführungsform von unten gesehen veranschaulicht.
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19 ist
eine perspektivische Ansicht, die veranschaulicht, wie die Intensität
von Plasmastrahlung gemessen wird.
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20 ist
eine perspektivische Ansicht, die die Konfi guration des Hauptabschnitts
einer Vorrichtung zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma
gemäß einem herkömmlichen Beispiel veranschaulicht.
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21 ist
ein Stromlaufplan, der eine Beispielkonfiguration einer Anpassungsschaltung
veranschaulicht.
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BESTE AUSFÜHRUNGSART
DER ERFINDUNG
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Es
wird nun eine Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung gegeben.
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(Erste Ausführungsform)
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Zu
Beginn wird anhand von 1 bis 8 eine Beschreibung
einer Vorrichtung zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma
gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung gegeben.
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Wie
in 1 gezeigt ist, ist in einer Vorrichtung 1 der
vorliegenden Ausführungsform zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma
auf einem aus Aluminiumoxid hergestellten Substrat 2 eine
mehrwellenförmige Antenne 3 gebildet und ist in
der Nähe der Antenne 3 eine Gasentladungsröhre 4 vorgesehen.
In dem veranschaulichten Beispiel besteht das Substrat 2 aus
einem oberen Substrat 2u, das die Antenne 3 auf
seiner oberen Oberfläche und eine Nut zum Bilden der Gasentladungsröhre 4 auf
seiner unteren Oberfläche aufweist, wobei an der unteren
Oberfläche des oberen Substrats 2u ein unteres
Substrat 2d befestigt ist. Es wird angemerkt, dass sich
die Gasentladungsröhre 4 der vorliegenden Erfindung
auf eine Komponente bezieht, die einen solchen rohrförmigen
Entladungsraum bildet, und somit nicht notwendig auf ein Rohr oder
auf eine Röhre mit einer Innenumfangsoberfläche
und einer Außenumfangsoberfläche beschränkt
ist. Darüber hinaus befindet sich die Antenne 3 in
der Nähe einer Seite 2a des Substrats 2 mit
einem Öffnungsende der Gasentladungsröhre 4,
durch die ein Plasmastrahl bereitgestellt wird.
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Wie
in 2 gezeigt ist, sind zum Eingeben von Hochfrequenzleistung
in die Antenne 3 ihr Paar von Anschlüssen 5a und 5b über
eine Phasenschaltung 6 und eine Anpassungsschaltung 7 mit
einer Hochfrequenzleistungsversorgung 8 verbunden. Die
Hochfrequenzleistungsversorgung 8 gibt hohe Frequenzen
im VHF-Band, z. B. Frequenzen von etwa 30 bis 500 MHz mit einer
Leistung von etwa 20 bis 100 W, aus. Darüber hinaus ist
in diesem spezifischen Beispiel die Blindwiderstandskomponente L
der Antenne 3 30 nH und der Innenwiderstand R der Schaltung
400 mΩ.
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Die
Anpassungsschaltung 7 ermöglicht, dass die Eingabe
einer Reflexionswelle in die Hochfrequenzleistungsversorgung 8 auf
etwa 0 eingestellt wird, wobei die Reflexionswelle auftritt, wenn
die Hochfrequenzleistung der Antenne 3 zugeführt
wird. Genauer kann die Einstellung, wie in 3 gezeigt
ist, unter Verwendung eines variablen Kondensators 9, der
als ein LAST-Element zu der Hochfrequenzleistungsversorgung 8 parallelgeschaltet
ist, und eines variablen Kondensators 10, der als ein ABSTIMM-Element
zwischen der Hochfrequenzleistungsversorgung 8 und der
Mikroantenne 3 in Reihe geschaltet ist, vorgenommen werden. Selbstverständlich
kann die Anpassungsschaltung 7 ebenfalls aus einer Kombination
eines Kondensators und einer Induktionsspule bestehen.
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Wie
in 4 gezeigt ist, soll die Phasenschaltung 6 die
Lagen des Schwingungsbauchs (oder eines Abschnitts mit dem maximalen
Amplitudenwert) und des Schwingungsknotens (oder eines Abschnitts
mit dem minimalen Amplitudenwert) der Amplitude einer stehenden
Welle einstellen. Die stehende Welle wird in einem Hochfrequenzzuführungsweg
da durch gebildet, dass die fortschreitende Welle, die von der Hochfrequenzleistungsversorgung 8 zu
der Antenne 3 zugeführt wird, mit der Reflexionswelle
von der Antenne 3 kombiniert wird. Wie in 3 gezeigt
ist, ist in dem spezifischen Beispiel der vorliegenden Ausführungsform
ein erstes Blindwiderstandselement (Element A) aus einem Festkondensator 11 gebildet,
der zwischen den LAST-seitigen Anschluss der Anpassungsschaltung 7 und
ein Ende der Mikroantenne 3 geschaltet ist. Ein zweites
Blindwiderstandselement (Element B) ist aus einer Festinduktionsspule 12 gebildet,
die zwischen den ABSTIMM-seitigen Anschluss der Anpassungsschaltung 7 und
das andere Ende der Mikroantenne 3 geschaltet ist. Dieses
erste Blindwiderstandselement (Element A) und das zweite Blindwiderstandselement
(Element B) können jeweils aus einer Festinduktionsspule
und/oder aus einer variablen Induktionsspule und/oder aus einem
Festkondensator und/oder aus einem variablen Kondensator gebildet
sein.
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Um
die Schaltung tatsächlich zu konfigurieren, sind darüber
hinaus das LAST-Element 9 und das ABSTIMM-Element 10 der
Anpassungsschaltung 7 aus einem variablen Element gebildet,
während das erste Blindwiderstandselement (Element A) und
das zweite Blindwiderstandselement (Element B) der Phasenschaltung 6 aus
einem festen Blindwiderstandselement gebildet sind. Während
das LAST-Element 9 und das ABSTIMM-Element 10 der
Anpassungsschaltung 7 vorübergehend auf eine angemessene
Einstellung eingestellt werden, werden das erste Blindwiderstandselement
(Element A) und das zweite Blindwiderstandselement (Element B) der
Phasenschaltung 6 so ausgewählt, dass der Schwingungsbauch
der Stromamplitude der stehenden Welle in der Nähe der
Mikroantenne 3 positioniert wird. Danach werden das LAST-Element 9 und
das ABSTIMM-Element 10 der Anpassungsschaltung 7 für
Feineinstellungen geändert, wodurch die Einstellung vorzugsweise
erleichtert wird.
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Wie
in 1 gezeigt ist, sind das LAST-Element 9 und
das ABSTIMM-Element 10 der Anpassungsschaltung 7 und
das erste Blindwiderstandselement (Element A) und das zweite Blindwiderstandselement (Element
B) der Phasenschaltung 6 in der vorliegenden Ausführungsform
auf dem Substrat 2 angebracht. Die Elemente sind über
strukturierte Schaltungen 13a, 13b und 13c,
die auf dem Substrat 2 gebildet sind, miteinander verbunden.
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In
der oben erwähnten Konfiguration wird in die Gasentladungsröhre 4 durch
die Öffnung am anderen Ende, auf der Seite, die der Seite 2a des
Substrats 2 gegenüberliegt, ein Gas eingeleitet
und wird zwischen die strukturierten Schaltungen 13a und 13b auf
dem Substrat 2 von der Hochfrequenzleistungsversorgung 8 eine
Hochfrequenzleistung im VHF-Band zugeführt. Da an der Phasenschaltung 6 eine
Einstellung in der Weise vorgenommen wurde, dass der Maximalwert
der Stromamplitude der stehenden Welle in der Nähe der
Antenne 3 positioniert ist, ermöglicht dies, dass
Eingangsleistung von der Hochfrequenzleistungsversorgung 8 als
ein durch die Antenne 3 fließender Strom effizient
zugeführt wird. Somit ist es möglich, ein Plasma
effizient zu erzeugen. Darüber hinaus sind die Antenne 3,
die Phasenschaltung 6 und die Anpassungsschaltung 7 auf dem
Substrat 2 angeordnet. Dies ermöglicht, eine kompakte
Vorrichtung, z. B. eine so kompakte Vorrichtung, dass ihre Größe
ausreichend verringert ist, um sie in einem Kasten mit einer Seite
von etwa 10 cm unterzubringen, zu schaffen.
-
Im
Folgenden wird anhand von
5 und Tabelle
1 eine Beschreibung eines beispielhaften Experiments mit der Phasenschaltung
6 gegeben. [Tabelle 1]
| Beispielexperiment | Element
A | Element
B | Spannungsamplitude
am Punkt c (V) | Strahlungsintensität
(beliebige Einheit) |
| E | 10
pF | 100
nH | 100
V | 55000 |
| F | 22
pF | 54
nH | 380
V | nicht
gezündet |
| G | 120
pF | 9,9
nH | 110
V | 60000 |
-
Wie
in Tabelle 1 gezeigt ist, wurden der Kondensator des Elements A
und die Induktionsspule des Elements B als Kombinationen von 10
pF und 100 nH (Beispielexperiment E), 22 pF und 54 nH (Beispielelement F)
und 120 pF und 9,9 nH (Beispielexperiment G) eingestellt. Daraufhin
wurden an jeder der Kombinationen in verschiedenen Entfernungen
vom Punkt "a" (Referenzpunkt) in 1 und 3 Spannungsamplitudenmessungen
vorgenommen. Die Graphen E, F und G aus 5 zeigen
in dieser Reihenfolge in jeder Lage die Spannungsamplitude für
die Beispielexperimente E, F und G. Darüber hinaus geben
Punkt "a", Punkt "b", Punkt "c" und Punkt "d" die in 1 und 3 gezeigten
Lagen an, wobei Punkt "c" eine Lage in der Nähe der Mikroantenne 3 zeigt.
Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, war die Spannungsamplitude am Punkt
"c" für das Beispielexperiment E 100 V und für
das Beispielexperiment G 110 V, während sie für
das Beispielexperiment F so hoch wie 380 V war.
-
Darüber
hinaus wurde in jeden der oben erwähnten Beispielexperimente
E, F und G Hochfrequenzleistung von 50 W mit 100 MHz zugeführt
und in die Gasentladungsröhre ein Argongas von 0,7 slm
eingeleitet. Unter diesen Bedingungen wurden Messungen der Intensität
der Plasmastrahlung vorgenommen. Im Ergebnis zeigten die Beispielexperimente
E und G Strahlungsintensitäten wie 55000 bzw. 60000 beliebige
Einheiten. Dagegen wurde in Beispielexperiment F keine Zündung
beobachtet. Somit ist gezeigt worden, dass die Spannungsamplitude
der stehenden Welle in der Nähe der Antenne 3 auf
den Minimalwert eingestellt werden kann, wodurch selbst unter Verwendung
niedriger Leistung ein Plasmastrahl hoher Konzentration erzeugt
wird.
-
Es
wird angemerkt, dass, wie in 19 gezeigt
ist, in den Messungen der Intensität der Atmosphärendruck-Plasmastrahlung
die Strahlungsintensität des erzeugten Plasmas P über
eine Lichtleitfaser 14 unter Verwendung eines Spektroskops
(nicht gezeigt) gemessen wurde.
-
In
den in 1 bis 5 gezeigten Beispielen wurde
der Festkondensator 11 als das erste Blindwiderstandselement
(Element A) verwendet, während die Festinduktionsspule 12 als
das zweite Blindwiderstandselement (Element B) verwendet wurde.
Wie in 6 gezeigt ist, kann allerdings ebenfalls als das
erste Blindwiderstandselement (Element A) eine Festinduktionsspule 15 verwendet
werden und als das zweite Blindwiderstandselement (Element B) ein
Festkondensator 16 verwendet werden. Darüber hinaus
kann das ABSTIMM-Element der Anpassungsschaltung 7 aus
dem variablen Kondensator 10 hergestellt werden und kann
das zweite Blindwiderstandselement (Element B) aus einem Kondensator
oder aus einem Element desselben Typs hergestellt werden. Wie in 7 gezeigt
ist, kann das ABSTIMM-Element 10 der Anpassungsschaltung 7 in
diesem Fall so ausgelegt werden, dass es als das zweite Blindwiderstandselement
(Element B) wirkt. Darüber hinaus kann das zweite Blindwiderstandselement
(Element B) eine Induktionsspule sein. Selbst in diesem Fall kann
seine Funktion durch das ABSTIMM-Element 10 ersetzt werden,
falls das ABSTIMM-Element 10 (variabler Kondensator) der
Abstimmungsschaltung 7 einen weiten Veränderungsbereich
aufweist. Obgleich dies nicht veranschaulicht ist, können
darüber hinaus das erste Blindwiderstandselement (Element A)
und das zweite Blindwiderstandselement (Element B) so ausgelegt
werden, dass dieselbe Funktion wie die des Stromführungswegs
bereitgestellt wird, der so ersonnen wurde, dass er eine solche
Länge aufweist, dass eine kompakte Konfiguration hergestellt
wird. Außerdem ist es möglich, diesen Stromführungsweg
und das Blindwiderstandselement gleichzeitig zu nutzen.
-
Darüber
hinaus war in der Beispielkonfiguration aus 1 die gezeigte
Antenne 3, die auf dem Substrat 2 vorgesehen war,
auf der oberen Oberfläche des Substrats 2 strukturiert.
Allerdings ist es, wie in 8 gezeigt
ist, ebenfalls akzeptabel, eine Antenne 17 aus einer dreidimensionalen
Spule auf dem Substrat 2 vorzusehen und die Spule 17 in
eine aus einer Glasröhre oder dergleichen hergestellte
Gasentladungsröhre 18 einzuführen.
-
Die
Vorrichtung 1 zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma
gemäß der ersten Ausführungsform kann
eine kompakte Konfiguration schaffen, da die Antenne 3 auf
dem Substrat 2 vorgesehen ist. Außerdem wird zwischen
die Anpassungsschaltung 7 und die Antenne 3 die
Phasenschaltung 6 eingefügt und daraufhin so eingestellt,
dass die Stromamplitude oder die Spannungsamplitude der auftretenden
stehenden Welle in der Nähe der Antenne 3 den
Maximalwert oder den Minimalwert annimmt. Im Vergleich zum Fall
der Einstellung der Kabellänge ermöglicht dies,
eine sehr kompakte Konfiguration zu schaffen, durch die die Antenne 3 allgemein
das maximale Plasma erzeugen kann. Dementsprechend ist es selbst
dann, wenn das Plasma unter Verwendung derselben Eingangsleistung
erzeugt wird, möglich, das Plasma in der Nähe
seiner maximalen Konzentration und Strahlungsintensität
zu erzeugen und dadurch Anwendungen z. B. zur Verarbeitung und Oberflächenbehandlung
zu entwickeln. Darüber hinaus ermöglicht die Bereitstellung
der Anpassungsschaltung 7 und der Phasenschaltung 6 auf
dem Substrat 2, die Größe der Vorrichtung 1 zum
Erzeugen von Atmosphärendruckplasma zu verringern und sie
für den Betrieb in einen Roboter zu integrieren. Wenn das
Funkgesetz eingehalten wird oder die Sicherheitsgefährdungen
der Vorrichtung beseitigt sind, ist es außerdem möglich, eine
solche Anwendung zu entwickeln, die der Betreiber zur Verwendung
mit der Hand hält.
-
Darüber
hinaus ist die Vorrichtung 1 zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma
auf verschiedene Analysatoren auf den Gebieten der Chemie und Biochemie
anwendbar. Insbesondere ist sie vorzugsweise ebenfalls z. B. auf
die mikrochemischen Analysesysteme (μTAS: Micro Total Analysis
System) anwendbar, die die Kombinationen von Hochgeschwindigkeits-Trenntechniken
einer Spursubstanzmenge durch Gaschromatographie oder mikrokapillare
Elektrophorese mit laserinduzierten Fluoreszenzerfassungen, elektrochemischen
Messungen unter Verwendung von Mikroelektroden, ICP-OES (Inductively
Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy) oder den ICP-Massenspektrographen
enthalten. Darüber hinaus kann die Vorrichtung auf verschiedenen
Gebieten, z. B. zum Schneiden durch Schmelzen eines lokalen Abschnitts
eines Werkstücks wie etwa eines für Mikrovorrichtungen
verwendeten Mikrochips; zur Verarbeitung und zur Oberflächenbehandlung
wie etwa zum Ätzen, zur Ablagerung einer Dünnschicht,
zum Reinigen, zur hydrophilen Verarbeitung oder zur hydrophoben
Verarbeitung; oder zur Hochtemperaturverarbeitung gefährlicher
Substanzen, genutzt werden.
-
(Zweite Ausführungsform)
-
Anhand
von 9 bis 12B wird
nun eine Beschreibung einer Vorrichtung zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma
gemäß einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung gegeben. Es wird angemerkt, dass in den Beschrei bungen
der folgenden Ausführungsform hauptsächlich ihre
unterschiedlichen Punkte erläutert werden, wobei dieselben
Komponenten ohne irgendeine weitere Erläuterung von ihnen
mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.
-
Wie
in 9 bis 11 gezeigt ist, enthält
eine Vorrichtung 21 zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma
gemäß der vorliegenden Ausführungsform
ein erstes Substrat 22, das aus Aluminiumoxid hergestellt ist,
eine mehrwellenförmige Antenne 26, die auf dem
ersten Substrat 22 angeordnet ist, ein zweites Substrat 23,
das auf einem halben Gebiet des ersten Substrats 22 angeordnet
ist, wo die Antenne 26 vorgesehen ist, und ein drittes
Substrat 24, das auf dem zweiten Substrat 23 angeordnet
ist. Das erste Substrat 22, das zweite Substrat 23 und
das dritte Substrat 24 sind unter Verwendung verschiedener
Befestigungselemente wie etwa Schrauben oder Klebemittel einteilig
miteinander gekoppelt, während sie in engem Kontakt miteinander
sind und dadurch ein geschichtetes Substrat 25 bilden.
Diese Konfiguration ermöglicht, dass die Antenne 26 in
dem geschichteten Substrat 25 untergebracht ist, während
sie zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat 22 und 23 liegt.
Jedes der Substrate, die das geschichtete Substrat 25 bilden,
kann vorzugsweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
wie etwa Aluminiumoxid, Saphir, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid,
Bornitrid und Siliciumcarbid gebildet sein.
-
Wie
in 12A und 12B gezeigt
ist, ist auf der unteren Oberfläche des zweiten Substrats 23,
d. h. in einer Lage auf einer Oberfläche in Kontakt mit
dem ersten Substrat 22 gegenüber der Mittelachsenlinie der
Antenne 26, eine Lagernut 27 gebildet. Die Lagernut 27 lagert
eine dielektrische Gasentladungsröhre 28, wobei
in den Zwischenraum zwischen der Lagernut 27 und der Gasentladungsröhre 28 vorzugsweise
ein Klebemittel oder ein Füllstoff mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit
gefüllt ist. Daraufhin wird, wie in 9 gezeigt ist,
durch ein Ende der Gasentladungsröhre 28 ein Gas
G zugeführt und z. B. der Antenne 26 von einer
Hochfrequenzleistungsversorgung (nicht gezeigt) Hochfrequenzleistung
von etwa 20 bis 100 W mit einer Frequenz im VHF-Band von 100 MHz
zugeführt, wodurch ermöglicht wird, dass das Plasma
P von dem anderen Ende der Gasentladungsröhre 28 geliefert
wird.
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In
der Mitte des anderen Endes des anderen halben Gebiets des ersten
Substrats 22, wo sich die Antenne 26 nicht befindet,
ist ein substratseitiger Verbinder 31 vorgesehen, der mit
der Hochfrequenzleistungsversorgung (nicht gezeigt) verbunden ist
und mit dem ein kabelseitiger Verbinder 30 an einer Spitze
eines Koaxialkabels 29 verbunden ist, um Hochfrequenzleistung
zuzuführen. Der Verbinder 31 und die Antenne 26 sind über
eine auf dem ersten Substrat 22 gebildete Leiterbahn 32 miteinander
verbunden. In der Mitte der Leiterbahn 32 sind die Blindwiderstandselemente
vorgesehen, die, wie in 6 gezeigt ist, die Anpassungsschaltung 7 und
die Phasenschaltung 6 bilden. Die Antenne 26 und
die Leiterbahn 32 werden vorzugsweise durch Stanzen oder
Schneiden einer dünnen Metallplatte oder Metallfolie gebildet,
die einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweist. Dieses Metall
kann z. B. Kupfer (spezifischer Widerstand 17,2 nΩm (bei
20°C), Temperaturkoeffizient 0,004/°C), Silber
(spezifischer Widerstand 16,2 nΩm (bei 20°C),
Temperaturkoeffizient 0,004/°C), Gold (spezifischer Widerstand
24,0 nΩm (bei 20°C), Temperaturkoeffizient 0,0034/°C)
oder Aluminium (spezifischer Widerstand 28,2 nΩm (bei 20°C),
Temperaturkoeffizient 0,0041°C) sein. Unter diesen Metallen
ist Kupfer das am meisten bevorzugte, wobei seine Dicke das Doppelte
oder mehr oder das Dreifache oder weniger als die Tiefe von der
Oberfläche ist, auf der der Hochfrequenzstrom fließt.
Zum Beispiel ist im Fall des Hoch frequenzstroms mit einer Frequenz
von 100 MHz eine Dicke von etwa 100 μm bevorzugt.
-
In
der vorliegenden Ausführungsform war die Lagernut 27 auf
dem zweiten Substrat 23 vorgesehen. Allerdings ist es ebenfalls
akzeptabel, die Lagernut 27 auf dem ersten Substrat 22 vorzusehen,
um die Gasentladungsröhre 28 darin zu lagern.
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In
der vorliegenden Ausführungsform besteht die Anpassungsschaltung 7 aus
dem LAST-seitigen variablen Kondensator 9 und aus dem ABSTIMM-seitigen
variablen Kondensator 10, die beide ein dreidimensionales
Blindwiderstandselement sind. Darüber hinaus besteht die
Phasenschaltung 6 aus dem induktiven Element 15,
das zwischen dem LAST-seitigen variablen Kondensator 9 und
der Antenne 26 angeordnet ist, und dem Festkondensator 16,
der zwischen dem ABSTIMM-seitigen variablen Kondensator 10 und
der Antenne 26 angeordnet ist. Der Festkondensator 16 ist
ein dreidimensionales Blindwiderstandselement. Allerdings ist das
induktive Element 15, wie in 12A gezeigt
ist, ein Spiralleiter, der in einer planaren Form auf der oberen Oberfläche
des zweiten Substrats 23 angeordnet ist, bei dem die Antenne 26 dazwischen
liegt, und der somit in dem geschichteten Substrat 25 enthalten
ist, während er bei dem dritten Substrat 24 dazwischen
liegt.
-
Wie
in 12B gezeigt ist, sind die beiden Enden des spiralförmigen
induktiven Elements 15, die durch Kontaktlöcher 33a und 33b nach
unten verlaufen, so gebildet, dass sie das zweite Substrat 23 durchdringen
und elektrisch mit Verbindungen 34a und 34b verbinden,
die auf der unteren Oberfläche vorgesehen sind. Andererseits
sind eine Verbindung 35a an einem Ende der Leiterbahn 32,
die mit dem variablen Kondensator 9 verbunden ist, der
auf dem ersten Substrat 22 angeordnet ist, und eine Verbin dung 35b,
die an einem Ende der Antenne 26 vorgesehen ist, in der
Weise auf die Verbindungen 34a und 34b ausgerichtet,
dass sie einander überlappen, wenn das zweite Substrat 23 auf
dem ersten Substrat 22 geschichtet ist. Wenn das erste Substrat 22 und
das zweite Substrat 23 in engem Kontakt miteinander aufeinander
geschichtet werden, werden die Verbindungen 34a und 35a bzw. 34b und 35b elektrisch
miteinander verbunden.
-
Es
wird angemerkt, dass die Vorrichtung 21 zum Erzeugen von
Atmosphärendruckplasma, wie in 9 in Strichlinien
gezeigt ist, so konfiguriert ist, dass das geschichtete Substrat 25 in
der Weise in einem Gehäuse 21a untergebracht ist,
dass nur ein Ende der Gasentladungsröhre 28 zum
Zuführen des Gases G, das andere Ende der Gasentladungsröhre 28 zum
Aussenden des Plasmas P dadurch und ein Endabschnitt des Verbinders 31 nach
außen freiliegen.
-
Die
Planarantenne 26 der wie oben beschrieben konfigurierten
Vorrichtung 21 zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma
liegt in dem geschichteten Substrat 25 zwischen dem ersten
und dem zweiten Substrat 22 und 23. Somit ist
es möglich, von der Antenne 26 erzeugte Wärme
effektiv abzuleiten und die Hochfrequenzleistung effizient mit Stabilität
in die Antenne 26 einzugeben und dadurch das Plasma P effizient
mit Stabilität zu erzeugen.
-
Darüber
hinaus ist das planare induktive Element 15, das aus einem
Spiralleiter besteht, auf dem zweiten Substrat 23, bei
dem die Antenne 26 dazwischen liegt, angeordnet und liegt
damit bei dem dritten Substrat 24 dazwischen. Dies kann
veranlassen, dass das induktive Element im Vergleich zu anderen
Blindwiderstandselementen leichter Wärme erzeugt. Allerdings
kann die von dem induktiven Element 15 erzeugte Wärme durch
das zweite und durch das dritte Substrat 23 und 24 auf
effektive Weise problemlos nach außen abgeleitet werden.
Somit ist es möglich zu verhindern, dass die Leitungskonstanten
der Anpassungsschaltung 7 und der Phasenschaltung 6 wegen
einer Zunahme der Temperatur des induktiven Elements 15 geändert
werden. Dies ermöglicht wiederum, die Hochfrequenzleistung
mit verbesserter Effizienz stabil in die Antenne 26 einzugeben und
das Plasma effizient mit Stabilität zu erzeugen. Da das
planare induktive Element 15 ebenfalls auf dem zweiten
Substrat 23 angeordnet ist, bei dem die Antenne 26 dazwischen
liegt, ist es darüber hinaus möglich, die Fläche
und die Menge der Substrate 22 bis 24, die das
geschichtete Substrat 25 bilden, zu verringern und dadurch
eine kompakte Konfiguration zu verwirklichen.
-
Darüber
hinaus werden die Verbindungen 34a und 34b sowie 35a und 35b,
die miteinander verbunden werden sollen, jeweils in der Weise auf
dem ersten Substrat 22 und auf dem zweiten Substrat 23 vorgesehen, dass
sie einander überlappen. Daraufhin werden das erste und
das zweite Substrat 22 und 23, während
sie in engem Kontakt miteinander sind, miteinander gekoppelt, wodurch
ermöglicht wird, dass die Verbindungen 34a und 34b sowie 35a und 35b jeweils
miteinander verbunden werden. Dies ermöglicht, elektrische
Schaltungsverbindungen nur dadurch bereitzustellen, dass die Substrate 22 bis 24,
die das geschichtete Substrat 25 bilden, miteinander gekoppelt
werden, während sie in engem Kontakt miteinander sind.
Somit ist es möglich, eine preiswerte, kompakte Konfiguration
mit einer einfachen Struktur zu verwirklichen, die leicht zusammengesetzt werden
kann.
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Es
wird angemerkt, dass das dritte Substrat 24 in der vorliegenden
Ausführungsform mit dem induktiven Element 15 in
engen Kontakt gebracht wurde. Allerdings kann das induktive Element 15 ebenfalls
auf dem zweiten Substrat 23 vorgesehen sein, um dadurch
Wärme abzugleiten, ohne das dritte Substrat 24 zu
verwenden.
-
(Dritte Ausführungsform)
-
Anhand
von 13 und 14 wird
nun eine Beschreibung einer Vorrichtung zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma
gemäß einer dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung gegeben.
-
In
der vorliegenden Ausführungsform ist, wie in 13 gezeigt
ist, auf einem Gebiet des ersten Substrats 22, auf dem
das zweite und das dritte Substrat 23 und 24 nicht
geschichtet sind, d. h. auf dem Gebiet des ersten Substrats 22,
auf dem Teile wie etwa dreidimensionale Blindwiderstandselemente
angeordnet sind, ein viertes Substrat 36 geschichtet. Genauer
ist das vierte Substrat 36 auf dem Gebiet geschichtet,
wo der LAST-seitige und der ABSTIMM-seitige variable Kondensator 9 und 10 der
Anpassungsschaltung 7, der Festkondensator 16 der
Phasenschaltung 6 und der Verbinder 31 des Koaxialkabels 29 angeordnet
sind. Wie in 14 gezeigt ist, weist das vierte
Substrat 36 ausgesparte Abschnitte 36a bis 36d auf,
um in dieser Reihenfolge den Verbinder 31, die variablen
Kondensatoren 9 und 10 und den Festkondensator 16 aufzunehmen,
wobei es so konfiguriert ist, dass es diese Elemente in Kontakt
damit bedeckt. Darüber hinaus liegt die auf dem ersten
Substrat 22 vorgesehene Leiterbahn 32 ebenfalls
zwischen dem ersten Substrat 22 und dem zweiten und dem
vierten Substrat 23 und 36.
-
Auf
diese Weise enthält das geschichtete Substrat 25,
das aus dem ersten bis vierten Substrat 22, 23, 24 und 36 besteht,
die Antenne 26, die Gasentladungsröhre 28,
die Anpassungsschaltung 7, die Phasenschaltung 6,
die Leiterbahn 32, die dazwischen verbindet, und den Verbinder 31.
Somit besteht die Vorrichtung 21 zum Erzeugen von Atmo sphärendruckplasma
aus dem einzelnen blockförmigen geschichteten Substrat 25, das
kein Element oder keine Leiterbahn aufweist, das/die nach außen
freiliegt.
-
Gemäß dieser
Konfiguration sind die dreidimensionalen Blindwiderstandselemente 9, 10 und 16,
die die Anpassungsschaltung 7 und die Phasenschaltung 6 bilden,
auf dem ersten Substrat 22 angeordnet, auf dem die Antenne 26 angeordnet
ist. Diese Blindwiderstandselemente sind mit dem vierten Substrat 36 in
Kontakt damit bedeckt und in dem geschichteten Substrat 25 enthalten.
Die von diesen Blindwiderstandselementen erzeugte Wärme
kann ebenfalls durch das erste Substrat 22 und durch das
vierte Substrat 36 effektiv abgeleitet werden, wodurch
ein Plasma effizient mit Stabilität erzeugt wird.
-
Darüber
hinaus wird die von der Antenne 26, von der Gasentladungsröhre 28,
von der Anpassungsschaltung 7, von der Phasenschaltung 6,
von der Leiterbahn 32 und von dem Verbinder 31 erzeugte
Wärme durch das erste bis vierte Substrat 22, 23, 24 und 36,
die das geschichtete Substrat 25 bilden, von der Außenoberfläche
des geschichteten Substrats 25 problemlos nach außen
abgeleitet. Somit ist sichergestellt, dass verhindert wird, dass
die Leitungskonstanten wegen einer Zunahme der Temperatur nicht
nur der Blindwiderstandselemente, die die Anpassungsschaltung 7 und
die Phasenschaltung 6 und die Antenne 26 bilden,
sondern auch des Verbinders 31 und der Leiterbahn 32 geändert
werden. Dies ermöglicht, ein Plasma effizient mit Stabilität
zu erzeugen.
-
Darüber
hinaus sind die Antenne 26, die Gasentladungsröhre 28,
die Anpassungsschaltung 7 und die Phasenschaltung 6,
die Leiterbahn 32, die dazwischen verbindet, und der Verbinder 31 in
dem geschichteten Substrat 25 enthalten. Somit ist es möglich,
die Vorrichtung 21 zum Erzeu gen von Atmosphärendruckplasma zu
schaffen, die eine kompakte Konfiguration aufweist, wobei die äußere
Erscheinung ihres Hauptabschnitts nur aus dem blockförmigen
geschichteten Substrat 25 besteht. Mit dieser Konfiguration
brauchen lediglich die Röhre (nicht gezeigt) zum Zuführen
eines Gases und das Koaxialkabel 29 zum Zuführen
von Hochfrequenzleistung verbunden zu werden, wodurch es möglich
wird, die Plasmaverarbeitung auszuführen. Somit ist es möglich,
verschiedene Arten der Plasmaverarbeitung auf vereinfachte Weise
effizient mit Stabilität zu ermöglichen.
-
(Vierte Ausführungsform)
-
Anhand
von 15 bis 18 wird
nun eine Beschreibung einer Vorrichtung zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma
gemäß einer vierten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung gegeben.
-
In
der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform war ein
solches Beispiel gezeigt worden, in dem die wellenartige flach geformte
Antenne 26 auf dem ersten Substrat 22 in der Weise
angeordnet ist, dass sie zwischen dem ersten Substrat 22 und
dem zweiten Substrat 23 liegt. In der vierten Ausführungsform,
wie sie in 15 bis 18 gezeigt
ist, wird ein dünner Leiterstreifen wie etwa eine Kupferfolie
mehrmals spiralförmig um eine Gasentladungsröhre 37 gewickelt,
die einen allgemein quadratischen Querschnitt aufweist, um die Antenne 38 zu
bilden. Daraufhin werden die Gasentladungsröhre 37 und
die Antenne 38 auf dem ersten Substrat 22 angeordnet
und zwischen es und das zweite Substrat 23 gelegt. Das
planare induktive Element 15 ist auf der Fläche
des zweiten Substrats 23 angeordnet, die einer anderen
Fläche, die dem ersten Substrat 22 gegenübersteht,
gegenüberliegt, sodass das induktive Element 15 zwischen
dem zweiten Substrat 23 und dem dritten Substrat 24 liegt.
Diese Konfiguration ist dieselbe wie die der oben beschriebenen
ersten Ausführungsform.
-
Die
beiden Endabschnitte der Antenne 38 sind so angeordnet,
dass sie sich mit einer Verbindung 32a der auf dem ersten
Substrat 22 vorgesehenen Leiterbahn 32 und mit
der Verbindung 35b für das induktive Element 15 überlappen,
und liegen zwischen dem zweiten Substrat 23 in engem Kontakt
damit und sind dadurch mit der Leiterbahn 32 und dem induktiven
Element 15 elektrisch verbunden. Wie in 18 gezeigt
ist, weist das zweite Substrat 23 eine Lagernut 39 auf,
die einen quadratischen Querschnitt aufweist und darin gebildet ist,
um die Gasentladungsröhre 37 mit der um sie gewickelten
Antenne 38 in engem Kontakt damit aufzunehmen. Nach Bedarf
ist zwischen die Lagernut 39 und die Gasentladungsröhre 37 mit
der um sie gewickelten Antenne 38 ein Füllstoff
oder ein Klebemittel mit hoher Wärmeleitfähigkeit
gefüllt. Wenn auf diese Weise ein Füllstoff oder
ein Klebemittel mit hoher Wärmeleitfähigkeit eingefüllt
ist, brauchen die Gasentladungsröhre 37 und die
Lagernut 39 keinen quadratischen Querschnitt aufzuweisen
und können somit einen kreisförmigen Querschnitt
aufweisen. In der vorliegenden Ausführungsform sind die
Gasentladungsröhre 37 und die Lagernut 39 auf
dem zweiten Substrat 23 vorgesehen. Allerdings kann das
erste Substrat 22 mit der Lagernut 39 zum Aufnehmen
der Gasentladungsröhre 37 versehen sein. Es ist
ebenfalls akzeptabel, dass die Gasentladungsröhre 37 kreisförmig
ist und das erste und das zweite Substrat 22 und 23 jeweils
mit einer halbkreisförmigen Lagernut versehen sind.
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Gemäß der
vorliegenden Ausführungsform liegen die Gasentladungsröhre 37 und
die mehrmals um sie gewickelte Antenne 38 zwischen dem
ersten und dem zweiten Substrat 22 und 23 des
geschichteten Substrats 25. Das planare induk tive Element 15 ist
auf dem zweiten Substrat 23 angeordnet, damit die Gasentladungsröhre 37 und
die Antenne 38 dazwischen liegen. Somit ist es möglich,
unter Verwendung der um die Gasentladungsröhre 37 gewickelten
Antenne 38 dieselben Wirkungen wie in der oben beschriebenen
ersten Ausführungsform zu erzielen.
-
Es
wird angemerkt, dass in den oben beschriebenen Ausführungsformen
solche Beispiele gezeigt worden sind, in denen die drei Substrate,
das erste bis dritte Substrat 22 bis 24, in der
Weise geschichtet sind, dass sie das geschichtete Substrat 25 bilden,
und das vierte Substrat 36 in der Weise auf dem ersten
Substrat 22 geschichtet ist, dass das geschichtete Substrat 25 gebildet
ist. Allerdings kann die Anzahl der Substrate, die das geschichtete
Substrat 25 bilden, je nach Anordnung der Antennen 26 und 37,
der Gasentladungsröhren 28 und 37 und
jedes Blindwiderstandselements, das die Anpassungsschaltung 7 und
die Phasenschaltung 6 bildet, beliebig ausgelegt sein.
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In
den obigen Beschreibungen jeder der Ausführungsformen ist
ein solches Beispiel erläutert worden, das die Anpassungsschaltung 7 und
die Phasenschaltung 6 aufweist. Allerdings kann die vorliegende
Erfindung selbst in Anwesenheit nur der Anpassungsschaltung 7 ohne
die Phasenschaltung 6 auf einen Fall angewendet werden,
in dem die Anpassungsschaltung 7 ein flach geformtes Blindwiderstandselement
aufweist, wodurch dieselben Wirkungen erzielt werden. Darüber
hinaus ist in den oben beschriebenen Ausführungsformen
ein solches Beispiel gezeigt worden, in dem nur die variablen Kondensatoren 9 und 10 als
Blindwiderstandselemente verwendet sind, die die Anpassungsschaltung 7 bilden.
Allerdings kann selbstverständlich auch eine solche Konfiguration
genutzt werden, die einen Festkondensator oder ein induktives Element
verwen det. In diesem Fall erzeugt insbesondere das induktive Element
leicht Wärme und liegt somit vorzugsweise zwischen den
Substraten, wobei es als ein flach geformtes induktives Element
dient, das dadurch in dem geschichteten Substrat enthalten ist.
-
Darüber
hinaus kann die oben erwähnte Vorrichtung 21 zum
Erzeugen von Atmosphärendruckplasma in den beweglichen
Kopf eines Robotersystems eingebaut werden, der in der X-, in der
Y- und in der Z-Richtung verlagern kann. Dies ermöglicht,
eine kompakte Plasmaverarbeitungsvorrichtung zu schaffen, die eine äußerst
verbesserte allgemeine Vielseitigkeit aufweist.
-
Darüber
hinaus ist in jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen
nur ein solches Beispiel erläutert worden, das Hochfrequenzleistung
in einem VHF-Band (30 bis 500 MHz) bereitstellt. Allerdings ist
die Erfindung darauf nicht beschränkt. Die Erfindung ist
ebenfalls auf ein Mikrowellenband (500 MHz oder höher) anwendbar
und die zweite bis vierte Ausführungsform können
ebenfalls auf ein RF-Band (13 bis 30 MHz) angewendet werden.
-
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
-
Wie
oben beschrieben wurde, liegt die Phasenschaltung gemäß der
vorliegenden Erfindung zwischen der Anpassungsschaltung und der
Mikroantenne, wobei die Phasenschaltung so eingestellt wird, dass
in der Nähe der Mikroantenne die Stromamplitude einer stehenden
Welle den Maximalwert annimmt oder die Spannungsamplitude der stehenden
Welle den Minimalwert annimmt. Dies ermöglicht, einen Mikroplasmastrahl
mit niedriger Leistung effizient zu erzeugen und die Konzentration
und die Strahlungsintensität des mit derselben Eingangsleistung
erzeugten Plasmas nahezu bis zu der maximal möglichen Grenze
zu verbessern. Somit ist es möglich, die Erfindung vorzugsweise
nicht nur auf die mikrochemische Analyse unter Verwendung mikrokapillarer
Elektrophorese anzuwenden, sondern außerdem hohe Verarbeitungsfähigkeiten
für die Entwicklung von Anwendungen wie etwa verschiedenen
Arten der Verarbeitung und Oberflächenbehandlung bereitzustellen.
Darüber hinaus sind die Blindwiderstandselemente der Anpassungsschaltung
und der Phasenschaltung in einer planaren Form gebildet und liegen
zwischen den Substraten des geschichteten Substrats, wodurch ermöglicht
wird, dass die Wärme von den Blindwiderstandselementen
effektiv nach außen abgeleitet wird. Dies ermöglicht
zu verhindern, dass die Leitungskonstanten wegen einer Zunahme der
Temperatur der Blindwiderstandselemente geändert werden,
und die Hochfrequenzleistung effizient mit Stabilität in
die Antenne einzugeben und dadurch das Plasma effizient mit Stabilität
zu erzeugen. Außerdem ist es möglich, eine kompakte Konfiguration
zu verwirklichen und somit vorzugsweise die Erfindung für
verschiedene Arten von Vorrichtungen zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma,
insbesondere für eine kompakte Vorrichtung zum Erzeugen
von Atmosphärendruckplasma, die in Systeme verschiedener
Typen integriert werden soll, zu verwenden.
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Zusammenfassung
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Vorrichtung und Verfahren
zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma
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Eine
Vorrichtung zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma enthält:
ein Substrat (2, 22); eine Antenne (3, 17, 26, 38),
die auf dem Substrat (2, 22) angeordnet ist; eine
Gasentladungsröhre (4, 18, 28, 37),
die in der Nähe der Antenne (3, 17, 26, 38)
angeordnet ist; eine Hochfrequenzleistungsversorgung (8),
um der Antenne (3, 17, 26, 38)
Hochfrequenzleistung im VHF-Band zuzuführen; und eine Anpassungsschaltung
(7), um von der Hochfrequenzleistungsversorgung (8)
eine Hochfrequenz zu empfangen und eine Reflexionswelle einzustellen.
In dieser Vorrichtung zum Erzeugen von Atmosphärendruckplasma
ist zwischen die Anpassungsschaltung (7) und die Antenne
(3, 17, 26, 38) eine Phasenschaltung
(6) geschaltet, wobei die Phasenschaltung (6)
eine Leitungskonstanteneinstellung in der Weise aufweist, dass eine
Lage eines Maximalwerts der Stromamplitude einer stehenden Welle
oder dass eine Lage eines Minimalwerts einer Spannungsamplitude
einer stehenden Welle in der Nähe der Antenne liegt. Diese
Konfiguration kann ein Plasma effizient erzeugen und die Größe
der Vorrichtung verringern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 3616088 [0007]
- - JP 2002-373883 [0007]